Nykyaikaiset FCC-yksiköt ovat kaikki jatkuvatoimisia prosesseja, jotka toimivat 24 tuntia vuorokaudessa jopa 3-5 vuoden ajan rutiinihuoltoa varten suunniteltujen seisokkien välillä.
Nykyaikaisiin FCC-yksiköihin on kehitetty useita erilaisia omia malleja. Kukin malli on saatavana lisenssillä, joka jokaisen öljynjalostusyrityksen, joka haluaa rakentaa ja käyttää tietyn mallin mukaista FCC:tä, on ostettava mallin kehittäjältä.
FCC-yksikössä on kaksi erilaista kokoonpanoa: ”pinottu” tyyppi, jossa reaktori ja katalysaattoriregeneraattori ovat kahdessa erillisessä säiliössä, reaktori regeneraattorin yläpuolella ja näiden säiliöiden välissä on reunus, joka mahdollistaa regeneraattorin poistokaasuputkiston liittämisen regeneraattorisäiliön yläosaan, ja ”vierekkäin” tyyppi, jossa reaktori ja katalysaattoriregeneraattori ovat kahdessa erillisessä säiliössä. Pinottu kokoonpano vie vähemmän fyysistä tilaa jalostamon alueelta. Nämä ovat tärkeimmät FCC:n suunnittelijat ja lisenssinantajat:
Side-by-side-kokoonpano:
- CB&I
- ExxonMobil Research and Engineering (EMRE)
- Shell Global Solutions
- Axens / Stone & Webster Process Technology – nykyisin Technipin omistuksessa
- Universal Oil Products (UOP) – nykyisin Honeywellin kokonaan omistama tytäryhtiö
Pinotettu kokoonpano:
- Kellogg Brown & Root (KBR)
Kullakin suojatun suunnittelun lisenssinantajalla väitetään olevan ainutlaatuisia ominaisuuksia ja etuja. Täydellinen keskustelu kunkin prosessin suhteellisista eduista ei kuulu tämän artikkelin piiriin.
Reaktori ja regeneraattoriEdit
Reaktoria ja regeneraattoria pidetään nestekatalyyttisen krakkausyksikön sydämenä. Jäljempänä kuvassa 1 esitetty tyypillisen nykyaikaisen FCC-yksikön kaavamainen virtauskaavio perustuu ”side-by-side”-konfiguraatioon. Esilämmitetty korkealla (noin 315-430 °C:n lämpötilassa) kiehuva raakaöljy, joka koostuu pitkäketjuisista hiilivetyjen molekyyleistä, yhdistetään tislauskolonnin pohjasta tulevaan kierrätyslieteöljyyn ja ruiskutetaan katalysaattorin nousuputkeen, jossa se höyrystyy ja krakataan pienemmiksi höyrymolekyyleiksi joutumalla kosketuksiin ja sekoittumalla regeneraattorista tulevan erittäin kuuman jauhemaisen katalyytin kanssa. Kaikki krakkausreaktiot tapahtuvat katalysaattorin nousuputkessa 2-4 sekunnin kuluessa. Hiilivetyhöyryt ”fluidisoivat” jauhemaisen katalyytin, ja hiilivetyhöyryjen ja katalyytin seos virtaa ylöspäin reaktoriin noin 535 °C:n lämpötilassa ja noin 1,72 baarin paineessa.
Reaktori on astia, jossa krakatun tuotteen höyryt ovat: (a) erotetaan käytetystä katalyytistä virtaamalla reaktorissa olevien kaksivaiheisten syklonien läpi ja (b) käytetty katalyytti virtaa alaspäin höyrystrippausosion läpi mahdollisten hiilivetyhöyryjen poistamiseksi ennen kuin käytetty katalyytti palaa katalyytin regeneraattoriin. Käytetyn katalyytin virtausta regeneraattoriin säädellään käytetyn katalyytin linjassa olevalla liukuventtiilillä.
Koska krakkausreaktiot tuottavat jonkin verran hiilipitoista materiaalia (jota kutsutaan katalyyttikoksiksi), joka kerrostuu katalyytille ja heikentää hyvin nopeasti katalyytin reaktiivisuutta, katalyytti regeneroidaan polttamalla kerrostunut koksi pois regeneraattoriin puhalletulla ilmalla. Regenerointilaite toimii noin 715 °C:n lämpötilassa ja noin 2,41 baarin paineessa, joten regenerointilaite toimii noin 0,7 baaria korkeammassa paineessa kuin reaktori. Koksin palaminen on eksotermistä, ja se tuottaa suuren määrän lämpöä, jonka regeneroitu katalyytti osittain absorboi ja tuottaa lämpöä, jota tarvitaan raaka-aineen höyrystämiseen ja katalyytin nousuputkessa tapahtuviin endotermisiin krakkausreaktioihin. Tästä syystä FCC-yksiköihin viitataan usein ”lämpötasapainoisina”.
Regeneraattorista lähtevä kuuma katalyytti (noin 715 °C:n lämpötilassa) virtaa katalysaattorin poistokaivoon, josta mahdolliset mukana kulkeutuvat palamisen savukaasut pääsevät poistumaan ja virtaamaan takaisin regeneraattorin yläosaan. Regeneroidun katalyytin virtausta katalyytin nousuputken alapuolella olevaan syöttöaineen ruiskutuspisteeseen säädellään regeneroidun katalyytin linjassa olevalla liukuventtiilillä. Kuuma savukaasu poistuu regeneraattorista sen jälkeen, kun se on kulkenut useiden kaksivaiheisten syklonien läpi, jotka poistavat mukana kulkeutuneen katalysaattorin savukaasusta.
Regeneraattorin ja reaktorin välillä kiertävän katalysaattorin määrä on noin 5 kilogrammaa raaka-ainekiloa kohti, mikä vastaa noin 4,66 kilogrammaa raaka-ainelitraa kohti. Näin ollen FCC-yksikössä, joka käsittelee 75 000 tynnyriä päivässä (11 900 m3/d), kiertää noin 55 900 tonnia katalyyttiä päivässä.
PääkolonniMuokkaa
Reaktiotuotehöyryt (535 °C:n lämpötilassa ja paineessa 1.72 bar) virtaavat reaktorin yläosasta pääkolonnin alaosaan (jota kutsutaan yleisesti pääfraktionaattoriksi, jossa tapahtuu syötteen jakaminen), jossa ne tislataan FCC:n lopputuotteiksi, jotka ovat krakatun maaöljybensiinin, polttoöljyn ja poistokaasun muodossa. Rikkiyhdisteiden poistamiseksi tapahtuvan jatkokäsittelyn jälkeen krakatusta teollisuusbensiinistä tulee jalostamon sekoitettujen bensiinien korkeaoktaaninen komponentti.
Pääfraktionaattorin sivukaasu lähetetään niin sanottuun kaasun talteenottoyksikköön, jossa se erotetaan butaaneiksi ja butyleeneiksi, propaaniksi ja propeeniksi sekä pienemmän molekyylipainon kaasuiksi (vety, metaani, eteeni ja etaani). Jotkin FCC-kaasun talteenottoyksiköt voivat myös erottaa osan etaanista ja etyleenistä.
Vaikka edellä esitetyssä kaavamaisessa virtauskaaviossa pääfraktionaattorissa on vain yksi sivuleikkausstripperi ja yksi polttoöljytuote, monissa FCC-pääfraktionaattoreissa on kaksi sivuleikkausstripperia, ja ne tuottavat kevyttä polttoöljyä ja raskasta polttoöljyä. Samoin monet FCC-pääfraktionaattorit tuottavat kevyttä krakattua teollisuusbensiiniä ja raskasta krakattua teollisuusbensiiniä. Termit kevyt ja raskas viittaavat tässä yhteydessä tuotteiden kiehumisalueisiin, jolloin kevyillä tuotteilla on matalampi kiehumisalue kuin raskailla tuotteilla.
Pääfraktionaattorin pohjatuoteöljy sisältää katalyyttihiukkasia, joita reaktorin yläosassa olevat syklonit eivät poistaneet kokonaan. Tästä syystä pohjatuoteöljyä kutsutaan lieteöljyksi. Osa tästä lieteöljystä kierrätetään takaisin pääfraktionaattoriin kuumien reaktiotuotehöyryjen sisääntulokohdan yläpuolelle, jotta reaktiotuotehöyryt jäähdytettäisiin ja osittain tiivistettäisiin, kun ne tulevat pääfraktionaattoriin. Loppuosa lieteöljystä pumpataan lietteen laskeuttimen läpi. Lietelannan laskeuttimesta tuleva pohjaöljy sisältää suurimman osan lieteöljyn katalyyttihiukkasista, ja se kierrätetään takaisin katalysaattorin nousuputkeen yhdistämällä se FCC-lähtööljyyn. Kirkastettu lieteöljy tai dekanttiöljy poistetaan lietteen laskeuttimen yläosasta käytettäväksi muualla jalostamossa, raskaan polttoöljyn sekoituskomponenttina tai hiilimustan raaka-aineena.
Regenerointilaitteen savukaasu Muokkaa
FCC:n rakenteesta riippuen käytetyn katalysaattorin päällä olevan koksin palaminen regeneraattorissa voi olla täydellistä tai ei täydellistä palamista hiilidioksidiksi hiilidioksidiksi CO
2. Palamisilmavirtaa ohjataan siten, että saadaan aikaan haluttu hiilimonoksidin (CO) ja hiilidioksidin suhde kussakin erityisessä FCC-mallissa.
Kuvassa 1 esitetyssä mallissa koksi on poltettu vain osittain CO
2:ksi. Palamisen savukaasu (joka sisältää CO:ta ja CO
2:ta) 715 °C:n lämpötilassa ja 2,41 baarin paineessa johdetaan toissijaisen katalysaattorin erottimen läpi, joka sisältää pyörreputkia, jotka on suunniteltu poistamaan 70-90 prosenttia regeneraattorista lähtevän savukaasun hiukkasista. Tämä on tarpeen, jotta savukaasu johdetaan seuraavaksi turbopaisuttimen siipien eroosiovaurioiden estämiseksi.
Savukaasun paisuttaminen turbopaisuttimen läpi tuottaa riittävästi tehoa regeneraattorin palamisilmakompressorin käyttämiseen. Sähkömoottori-generaattori voi kuluttaa tai tuottaa sähköenergiaa. Jos savukaasun paisuttaminen ei tuota riittävästi tehoa ilmakompressorin käyttämiseen, sähkömoottori/generaattori tuottaa tarvittavan lisätehon. Jos savukaasun laajeneminen tuottaa enemmän tehoa kuin tarvitaan ilmakompressorin käyttämiseen, sähkömoottori/generaattori muuttaa ylimääräisen tehon sähköenergiaksi ja vie sen jalostamon sähköjärjestelmään.
Paisutettu savukaasu johdetaan sen jälkeen höyrykattilan (ns. CO-kattila) läpi, jossa savukaasun sisältämä hiilimonoksidi poltetaan polttoaineena höyryn tuottamiseksi jalostamossa käytettäväksi sekä hiilimonoksidipäästöjä koskevien sovellettavien ympäristölainsäädännön raja-arvojen noudattamiseksi.
Savukaasu käsitellään lopuksi sähkösuodattimen (ESP, Electrostatic Precipitator) kautta, jotta jäljelle jäävät hiukkaspäästöt saadaan poistettua hiukkaspäästöjä koskevien sovellettavien ympäristölainsäädännön noudattamiseksi. ESP poistaa savukaasusta hiukkaset, joiden koko on 2-20 µm. Hiukkassuodatinjärjestelmiä, joita kutsutaan neljännen vaiheen erottimiksi (Fourth Stage Separators, FSS), vaaditaan joskus hiukkaspäästörajojen noudattamiseksi. Ne voivat korvata ESP:n, kun hiukkaspäästöt ovat ainoa huolenaihe.
Savukaasujen käsittelyjärjestelmään kuuluvaa höyryturbiinia (esitetty yllä olevassa kaaviossa) käytetään regeneraattorin palamisilmakompressorin käyttämiseen FCC-yksikön käynnistysten aikana, kunnes savukaasujen palaminen on riittävää, jotta se voi ottaa tämän tehtävän hoitaakseen.